Facoltà di Ingegneria - Circuito Green City Energygreencityenergy.it/pisa/files/3_Leonardo_Tognotti.pdf · Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Nucleare e della Produzione Dipartimento

Progetto H2 Filiera Idrogeno : Tecnologie e materiali per la

produzione e la distribuzione

dell’Idrogeno

Leonardo Tognotti

Facoltà di Ingegneria

06/07/2012 1

Tecnologie e sistemi per la produzione di idrogeno -

WP2- E.Biagini, M.Simone, C.Nicolella, L.Tognotti

Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica industriale e Scienza dei

Materiali

Aspetti metallurgici e strutturali per lo sviluppo di veicoli

a idrogeno

- WP3- WP4.3- M.Beghini, L.Bertini, F.Frendo, C.Santus, R.Valentini

Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Nucleare e della Produzione

Dipartimento di Ingegneria Chimica , Chimica Industriale e Scienza dei

Materiali

06/07/2012 2

Tecnologie e sistemi per la

produzione di idrogeno

• L’idrogeno non esiste in natura nella sua forma elementare ma deve essere separato da altri componenti o prodotto ex novo.

• Attualmente le infrastrutture necessarie per realizzare una economia basata sull’idrogeno non esistono.

• Necessità di valutare con approccio scientifico rigoroso le risorse materiali ed energetiche spese in ogni processo: – produzione

– stoccaggio

– distribuzione

– rifornimento

3

Ciclo dell’idrogeno

4

Produzione da rinnovabili (fonte ENEA)

5

Scopi della ricerca

1. studio di filiera (risorsa, trasformazione, stoccaggio)

2. potenzialità di produzione di idrogeno in Toscana (risorsa

→ H2)

3. studio di processi integrati: fattibilità e bilanci tecnico-

economici

• individuare i sistemi più idonei per attivare circuiti virtuosi che

coinvolgano le PMI sul territorio

• valutare i contesti in cui far sorgere l’opportunità della produzione

di idrogeno da fonti di energia rinnovabile

Idroelettrico

Biomasse

IDROGENOelevata purezza

(utilizzo in celle a

combustibile)

IDROGENOalta purezza

(utilizzo in motori

combustione interna)

ele

ttro

lisi

conversione

separazione

Raffineria

Processi elettrolitici

(cloro-soda)

energia

elettrica

Eolico

So

lare

PV

Geoterm

ico

Combustione

Gassificazione

gas di

sintesi

Purificazione gas geotermico

trasporto o stoccaggio

1. studio di filiera:

approvvigionamento

risorsa rinnovabile:

eolico, solare,

biomasse, geotermico,

cascami (idrogeno come

sottoprodotto di processi

esistenti)

studio dei processi di

conversione:

(gassificazione,

elettrolisi) e di

separazione

Produzione di idrogeno da fonti energetiche

rinnovabili

Metodo di analisi:

definizione degli steps di analisi e dei needs

1. SELEZIONE

FONTE

ENERGETICA

2. SELEZIONE

TECNOLOGIA di

PRODUZIONE

3.

DEFINIZIONE

del

PROCESSO

4. CONFRONTO

e SCELTA

SCENARI

dati territorio

siti esistenti

potenzialità

dati scientifici

test sperimentali

richieste produttori

dati di processo

sviluppo modello

ottimizzazione

rendimenti energetici

impatto ambientale*

convenienza economica*

* in seguito ad analisi

LCA e LCC in WP8

Sinergie con altri progetti ed iniziative in atto

Sistemi Integrati di Produzione di Idrogeno e sua Utilizzazione nella Generazione Distribuita (FISR-2006-2010)- Coordinamento CPR-UNIPI Focus: Separazione H2 da miscele di gas Sviluppo di cicli “zero emission” a combustione di idrogeno (MATT Regione Veneto)- Capofila ENEL (2007-2009 e 2011-2012) Focus: combustione H2

C.R.I.B.E. : varie iniziative e progetti: – La fattoria dell’Energia (ENEL) – Sviluppo di una bio-raffineria integrata – (Fondazione Cassa di Risparmio PI, altri ) Focus: biomasse per l’energia

9

Università

di Pisa

Confinamento CO2Confinamento CO2

Eolico, PVEolico, PV

SolareSolare

BiomasseBiomasse

Carbone

Nucleare

Petrolio

Gas naturale

Fo

ssili

Rin

no

vab

ili

GassificazioneGassificazione

ReformingReforming

ReformingReforming

ElettrolisiElettrolisi

GassificazioneGassificazione

Processi termochimici




Utilizzo

CO2

CO2ResidenzialeResidenziale

AltroAltro

IndustriaIndustria

Generazione

potenza

distribuita

Generazione

potenza

distribuita

IDROGENOIDROGENO

Idro

gen

od

ott

iR

ich

ied

e ac

cum

ulo

e

dis

trib

uzi

on

e H

2

TrasportoTrasporto

Progetto FISR: Sistemi Integrati di Produzione di Idrogeno

e sua Utilizzazione nella Generazione Distribuita

Carbone Gassificazione

Sinergie con il Centro Ricerca Interuniversitario

per le Bio Energie – CRIBE

Impianto di Bioraffineria

San Piero a Grado, Pisa

Esempi di filiere studiate

• biomassa in combustione diretta per produrre energia elettrica -

> idrogeno per elettrolisi;

• biomassa convertita in syngas, a sua volta utilizzato per

produrre energia elettrica > idrogeno per elettrolisi;

• biomassa convertita in syngas, purificato e opportunamente

separato per dare direttamente idrogeno;

• energia eolica utilizzata per produrre energia elettrica ->

idrogeno per elettrolisi;

• gas geotermici trattati per separare idrogeno.

11

Per ogni scenario sono stati condotti bilanci di massa e di energia tramite lo

sviluppo di modelli di processo (con codici di calcolo commerciali, con

subroutine sviluppate ad hoc) con dati di input realistici e uniformi per ogni

operazione;

• il grado di dettaglio in ogni processo è stato tale da permettere di valutare

l’effetto delle condizioni operative sulle efficienze del processo;

Metodologia: analisi ed ottimizzazione di processo

Ossigeno

HT WGSR

Membrane

Trattamenti

compressore

Scrubber

Caldaia

Biomassa 250kg/h

Syngas

Tar, ceneri

Vapore

H2

Ceneri

Gas esausti – CO, CH4, H2, NH3

Vapore

Fumi

Aria

Biomassa secca

Filtro

LT WGSR

condense

Acqua demineralizzata

GASSIFICATORE

P atm,

1200°C

E’ stata condotta un’analisi parametrica per ogni processo per individuare le condizioni ottimali; Si

sono confrontati diversi scenari dal punto di vista della produzione di idrogeno e della convenienza

energetica;

è stato costruito un database per i diversi scenari da utilizzare come input (produzione) nell’analisi

economico-ambientale del WP8 (studio del ciclo di vita (LCA);

Il database contiene i risultati delle simulazioni dei modelli di processo (quantificazione di input e

output materiali ed energetici, quali per es. emissioni gassose) per tutti i processi considerati al

variare di parametri operativi (tipo di biomassa alimentata, taglia dell’impianto, ecc.).

Metodologia: analisi ed ottimizzazione di processo

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

ER (gasification)H

2 p

rod

uc

tio

n

(g H

2/k

g b

iom

)

0 0.5 1 1.5 2

ER (combustion)

proc.1

proc.2

proc.3

proc.4

proc.3

proc.1

proc.2

proc.4

Risultati: confronto dei processi studiati

E. Biagini, L. Masoni, L. Tognotti. Comparative study of thermochemical processes for hydrogen production from biomass . Bioresource Technology 101, 6381-6388 (2010)

Scopi della ricerca


2. potenzialità di produzione di idrogeno in Toscana (risorsa → H2)

– survey delle risorse rinnovabili disponibili

– definizione delle filiere di produzione più promettenti

– valutazione della potenzialità di produzione di idrogeno in Toscana

5 parchi 30 turbine 45 MW istallati

+11 parchi al 2020 100 turbine 200 MW in progetto

3-4.5 kg/h H2 per MW istallato H2 elevata purezza

EOLICO

classe 1 (1-3 kW) 6400 impianti (17 MW) classe 2 (3-20 kW) 8800 impianti (75 MW) classe 3 (20-200 kW) 1450 impianti (120 MW) classe 4 (200-1000 kW) 280 impianti (177 MW) classe 5 (1-5 MW) 25 impianti (44 MW) classe 6 (>5 MW) 4 impianti (85 MW) TOTALE: 515 MW

2.6-3 kg/h H2 per MW istallato elevata purezza

EOLICO

SOLARE

360 MW istallati

4.5-5 kg/h H2 per MW istallato elevata purezza

EOLICO

SOLARE

IDROELETTRICO

32 impianti 810 MW istallati

15 kg/h H2 per MW istallato elevata purezza

EOLICO

SOLARE

IDROELETTRICO

GEOTERMICO

1 raffineria (LI): 20-25000 Nm3/h H2 media purezza 1 cloro-soda (LI): 6600 Nm3/h H2 elevata purezza 1 cloro-potassa (PI): 1200 Nm3/h H2 elevata purezza

EOLICO

SOLARE

IDROELETTRICO

GEOTERMICO

IMPIANTI ESISTENTI

colture energetiche: pioppo SRF arundo miscanto cardo + residui forestali, boschivi, agroalimentari

EOLICO

SOLARE

IDROELETTRICO

GEOTERMICO

IMPIANTI ESISTENTI

BIOMASSE

aree potenzialmente ottime aree potenzialmente buone totale: 320.000 ha

impianto di gassificazione: 16-18 kg/h H2 per Mw di potenza termica alta purezza

Scopi della ricerca


2. potenzialità di produzione di idrogeno in Toscana (risorsa → H2)

3. studio di processi integrati: fattibilità e bilanci tecnico-economici

– necessità di definire processi integrati per utilizzo di sottoprodotti, cascami termici e diminuire i costi di filiera

– studio di alcuni processi integrati per la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili (filiera corta)

– analisi preliminare dei costi di produzione di idrogeno per alcuni impianti integrati

Integrazione processo di gassificazione

biomasse con eolico/elettrolisi.

Opzioni:

– filiera corta: localizzazione dell’impianto a “piè di campo” (distanza media per colture

dedicate 7 km, raggio max per residui 40 km)

– ossigeno prodotto da elettrolisi inviato alla gassificazione

– vapore necessario prodotto da caldaia a biomassa

– essiccamento della biomassa da cascami termici dell’impianto

Scenario di utilizzo

LAM (Linee Alta Mobilità) città di Pisa:

– 13 autobus (6 LAMRossa, 4 LAMVerde, 3 LAMBlu)

– 37540 km, percorrenza media annua per autobus

• H2 da elettrolisi → celle a combustibile

– richiesti 17.1 kg/h di idrogeno (5700 h di funzionamento dell’impianto)

• H2 da gassificazione → motore combustione interna

– richiesti 15.4 kg/h di idrogeno (7200 h di funzionamento dell’impianto)

Analisi filiera integrata

Trasporto biomassa

0,15%

Produzione

agricola 7%

Gassificatore 25%

Compressore e ausiliari

12,2%

Fumi, condense,

dispersioni 13,1%

Input Biomassa

33.832 GJ/anno

Output Idrogeno

15.005 GJ/anno

Impianto di conversione

Analisi dei costi di filiera (produzione)

• Ipotesi e assunsioni: – costi agricoli (aratura, fertilizzazione, talee, diserbo,

irrigazione, potatura, raccolta, trattamenti)

– trasporto e stoccaggio biomassa

– costi d’impianto:

• investimento (capitale e di manutenzione)

• di esercizio

– vendita di energia elettrica con ritiro dedicato:

• analisi dei dati di vento, confronto con prezzi e fasce orarie

– certificati verdi:

• 86 €/MWh al 2010, 65% di collocamento

Costo dell’idrogeno

• 36 €/GJ 4.3 €/kg

Forbice di costo per varie opzioni

• 28-42 €/GJ 3.4-5.0 €/kg

NREL: Eolico+elettrolisi DOE USA : vari scenari di produzione

Principali prodotti della ricerca

D.2.1 Analisi dei processi produttivi e delle fonti energetiche di interesse per la

produzione di idrogeno sul territorio regionale- - Database

D.2.2 Monografia: Studio comparativo di processi per la produzione di idrogeno a

partire da biomasse

D.2.3 Studio di fattibilità tecnico-economica di un processo integrato per la produzione

di idrogeno per le conversioni energetiche di bordo ed il trasporto

• Sviluppo di metodologie sperimentali per lo studio della gassificazione delle

biomasse

• Sviluppo di strumenti software dedicati per la ottimizzazione di processi industriali

• Dodici tesi di laurea (triennale e magistrale)

• Una borsa post-doc

• Due dottorandi hanno collaborato alle attività

• Pubblicazioni: 5 su rivista, 12 a convegno, 1 monografia, possibile brevetto

Progetto H2 Filiera Idrogeno

Aspetti metallurgici e strutturali per

lo sviluppo di veicoli a idrogeno

M.Beghini, L.Bertini, F.Frendo, C.Santus, R.Valentini

Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Nucleare e della Produzione Dipartimento di Ingegneria Chimica, Chimica Industriale e Scienza

dei Materiali

06/07/2012

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)

Analisi strutturale di alcuni

componenti per impianti

distribuzione H su veicoli (D3.5)

Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)

Sistemi e materiali per componenti impianti

distribuzione H “on board”

Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)

Sistemi per veicoli alimentati ad H

Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Strutturazione impianti “on board” per veicoli a

basso impatto

Verso lo sviluppo di veicoli a

basso impatto ambientale

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



Caratterizzazione della suscettività all’idrogeno dei materiali

impiegabili nel sistema di compressione e distribuzione

dell’Idrogeno

Bombole di idrogeno compresso per il sistema di stoccaggio

Tipiche bombole per H2:

- Bassa resistenza meccanica

- Elevati spessori

- Elevato peso

- API X52

Bombole per CH4:

- Maggiore resistenza meccanica

- Spessori inferiori

- Peso inferiore

- 1.12Cr0.25Mo

Caricamento

elettrochimico

Caricamento

in autoclave

Prove SSRT

Concentrazione

critica

Curva

concentrazione-

Pressione

parziale H

D3.1 Messa a punto del

sistema di caricamento

mediante autoclave

D3.2 Prove di qualificazione statiche

Caricamento

in autoclave

D3.3 Prove di fatica

Prove di fatica

su macchina a

risonanza

100

1000

1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

sa

[MP

a]

Numero di cicli a rottura

0 ppm, non nichelati

0.2 ppm, nichelati

0.4 ppm, nichelati

Simbolicolorati: rotturaSimboli vuoti: runouts

(a)

(b)

(c)

0 ppm 0.4 ppm

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



D3.3 Procedura per simulazione FEM del processo di diffusione dell’idrogeno

Modello FEM (ANSYS)

Analisi

termica Analisi

strutturale

Andamento nel

tempo di tensioni

e temperature

“Mesh”

(Nodi ed

elementi)

Soluzione

equazione diffusione

H (MATLAB)

Proprietà materiale

(Es. Coeff. diff.)

Condizioni al

contorno

Andamento spazio-

temporale della

concentrazione di

idrogeno

2

C

n

C D C H C tr

C C 0 su S

D C HC tr 0 su S

T

n T n

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



Stato di tensione pre-esistente all’azione di carichi esterni In molti casi valori elevati Dannose tensioni residue di trazione Benefiche tensioni residue di compressione, in particolare a fatica Deformazioni di rilascio significative su componenti di ridotti spessore/rigidezza

D4.3.2 Sviluppo tecniche per la misura delle autotensioni

Tensioni residue - processi tecnologici, ad es. saldatura

Frattura causata da

tensioni residue, anche in

assenza di carichi esterni

Tensione di trazione (residua) favorisce:

(1) frattura fragile

(2) concentrazione di idrogeno → frattura fragile

Tensioni residue – Infragilimento da Idrogeno

Misura delle tensioni residue

Metodo raggi X

(X-Ray Diffraction, XRD)

Metodo del foro

(Hole Drilling Method, HDM)

Foro concentrico con rosetta estensimetrica.

Tensioni residue valutate a partire dalla

misura delle deformazioni “rilassate” a

seguito del foro.

Attrezzatura acquisita – Metodo del foro

RESTAN – MTS 3000

Fornitore:

SINT Technology, Firenze / HBM

Caratteristiche:

- esecuzione automatica del metodo

- correzione ottica dell’eccentricità

- acquisizione in tempo reale misure

estensimetriche, def. rilassate

- turbina a aria compressa, 350 000 g/min

- foro diametro 1.8 mm

- profondità 2 mm

- risoluzione profondità 0.010 mm

Attività di ricerca sul metodo del foro

Sviluppo tecnica analitica/numerica, originale, basata su funzioni di

influenza

M. Beghini, L. Bertini, L.F. Mori. Evaluating Non-Uniform Residual Stress by the

Hole-Drilling Method with Concentric and Eccentric Holes. Part I & PartII.

Strain 2010

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



D3.5 Analisi del comportamento di alcuni componenti del sistema di

immagazzinamento e distribuzione.

Scopo dell’analisi : dimostrazione delle tecniche messe a

punto

Componenti selezionati:

•fasce elastiche compressori alternativi

•serbatoi di immagazzinamento



Scopo dell’analisi : verifica della potenziale utilizzabilità delle attuali bombole per metano per autotrazione ad essere parzialmente riempite con idrogeno Condizione analizzata: bombola contenente il difetto di riferimento proponibile per le bombole di gas metano (vedi ISO 11439 App. B-D) Geometria analizzata Diametro esterno (F) = 316 mm Spessore (sp) = 8 mm Pressione di collaudo = 300 bar Difetto: frattura circonferenziale di profondità pari al 5.75 % dello spessore (circa 0.5 mm).

sp a

F



Modello FEM per l’analisi delle tensioni

Carico simulante le tensioni assiali sul cilindro

Carico simulante la pressione interna

Vincoli assiali corrispondenti alla simmetria speculareVincoli di dipendenza per il mantenimento della superficie piana

Frattura

Distribuzione componente idrostatica del tensore delle tensioni

Andamento concentrazione idrogeno



barA

cP int,cr

crH 2.49

2

,

ppmc

c crcrint 449.0

784.3,

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



Conversione di un veicolo Piaggio Porter elettrico in Porter HFC

• studio layout veicolo (in collaborazione con DSEA e EDI) dimensionamento/verifica di alcuni componenti

• Valutazione delle variazioni delle proprietà di inerzia del veicolo (massa e momenti di inerzia) – effetti sulla dinamica trascurabili

Caratterizz.

effetto H su

materiali

(D3.1, D3.2,

D3.3)

Sviluppo

tecniche misura

autotensioni

(D4.3.2)




Sviluppo

tecniche FEM

per analisi

diffusione

(D4.3.1, D3.4)



Analisi layout

impianti H su

veicoli

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)

Sistemi

innovativi

recupero

energia

(D.4.3.4)


Verifiche

strutturali

veicoli con

impianti H

(D4.3.3.1,

D4.3.3.2)


basso impatto



Attività di innovazione – Studio di fattibilità di un sistema per il recupero dell’energia dal moto delle sospensioni

Tre brevetti US patent (2005,2005) l’ultimo: Larry D. Armstrong, Vehicle suspension kinetic energy recovery system. U.S. Patent, (12,172,569), 2010. (ammortizzatore pneumatico, o con solenoide, od attuatore elettrico lineare)

Impiego di un azionamento, sviluppato presso il DESE, avente due gradi di

libertà (rotazione # trazione e traslazione # recupero dell’energia)

D4.3.4 Sistemi innovativi recupero energia

cilindri idraulici ‘slave’

cilindro idraulico ‘master’

giunto speciale

motore a 2 g.l.

Progetto: principio di funzionamento

Modello Simulink

CarSim

Simulatore di guida

50 km/h

40 km/h

30 km/h

Percorso urbano

SIMULAZIONI EFFETTUATE CON TRE MODELLI NUMERICI DI VEICOLO E ALCUNI PERCORSI ELEMENTARI

Ciclo ECE UDC + EUDC

dissuasori

RISULTATI: Energie modeste, ma disponibili in maniera continuativa as

pe

rità

ci

cli

eve

nti

sin

goli

100-200 J/km

Principali prodotti della ricerca

• Database di curve di resistenza a fatica per acciai in presenza di idrogeno

• Sviluppo di una tecnica sperimentale per la misura delle tensioni residue

• Strumento software per il calcolo della concentrazione dell’idrogeno in

componenti strutturali, in presenza di uno stato di sollecitazione che potrà essere

impiegato anche in altri settori (es.: energia, petrolchimico)

• Esame di fattibilità per alimentare l’attuale parco auto a metano con una miscela

metano-idrogeno, con riduzione delle emissioni

• Fattibilità di sistema e progetto di massima per il recupero dell’energia dal moto

delle sospensioni

• Dieci tesi di laurea (triennale e magistrale)

• Una borsa post-doc

• Due dottorandi hanno collaborato alle attività

• Pubblicazioni: 5 su rivista, 6 a convegno, 1 monografia, possibile brevetto

06/07/2012 56

Criticità

– studi di filiera (analisi dei costi di dettaglio, fattori di scala, coinvolgimento skateholders locali)

– rivalutazione agricoltura (v. anche recupero terreni abbandonati) per fini energetici (2a generazione)

– Necessità di impianti dimostrativi

– Necssità di versatilità del processo (es. produzione di cippato o pellets, vendita di energia elettrica)

– Problema distribuzione

– Figura imprenditoriale “nuova” e operante su più settori (agricoltura, impiantistica)

58

"Captive" "Merchant" Totale

USA 78,69 10,74 89,43

Produzione di ammoniaca 33,54 24,7

Raffinerie 32,95 21,79

Produzione di metanolo 8,57 4,6

Altri 3,62 8,5

EUROPA OCCIDENTALE 60,58 5,17 65,75

Produzione di ammoniaca 27,7

Raffinerie 21,79

Produzione di metanolo 4,6

Altri 8,5

GIAPPONE 16,8 0,24 17,04

RESTO DEL MONDO 276,95 / 276,95

416,22 15,91 449,17

IL MERCATO ATTUALE DELL’IDROGENO

(miliardi di m3/anno)

(Fonte: Parkison, 2001).

CAPTIVE : Produzione di H2 interna al

processo che lo utilizza (grandi impianti

inseriti nelle raffinerie e nella produzione

di ammoniaca).

MERCHANT : Produzione di H2 per

utenti esterni.

Il suo impiego nel mondo annualmente ammonta a circa 500 miliardi di Nm3:

il 40% utilizzato nelle raffinerie (processi di desolforazione, di raffinazione di

prodotti petrolchimici, ecc.);

il 59% dall’industria chimica per la formazione di ammoniaca e metanolo;

l’1% per applicazioni dell’industria elettronica, metallurgica, alimentare e

spaziale.

(ii) Caso b: Idrogeno separato da gas geotermici.

Esempio: Larderello (PI)

rimozione di H2S

cattura della CO2

H2 – CH4

gas geotermici

vapor acqueo 85-98%

gas incondensabili 2-15%

(di cui 2% H2, 1% CH4)

CO2 (reiniezione)

Impianto di 20 MW:

IPOTESI 1.

purificazione per

ottenere

miscela H2-CH4 per

combustione interna

IPOTESI 2.

ulteriore conversione

per ottenere H2 puro:

Max 43 kg/h H2

Risultati da studio di processo: entrambe le configurazioni risultano non convenienti energeticamente

Potenzialità su tutti gli impianti esistenti in Toscana: 9000 t H2/anno

Studio del processo: gassificazione + elettrolisi

Schema semplificato del processo di produzione di idrogeno

da gassificazione di biomassa ed elettrolisi

Il processo di gassificazione in generale converte un combustibile solido in gas di sintesi

(che contiene principalmente CO e H2).

Il syngas deve essere purificato, convertito e separato

La resa del processo dipende dalla biomassa di partenza, dalla configurazione e

potenzialità del reattore di gassificazione, dalle condizioni operative, dai sistemi di pulizia e

recuperi termici.

Rispetto al caso precedente si richiede maggior complessità di impianto ed è necessario

ossigeno puro

Studio del processo: gassificazione + separazione

Electrolyzer

water

electrolyte

Oxygen

Gasifier

Ash

Syngas

Dryer

high purity hydrogen (>99.99%)

(steam)

CO shift

reactors

Waste water

(tar and ash)

water (basic)

H2 separation(PSA or membranes)

CO2 for recycle or sequestration

Stack

Biomass

treatment

Biomass

medium purity

hydrogen (>99%)

electricity production

electricity

wind

Scrubber

Engine

Geothermal plant

Studio di un processo integrato per la produzione di idrogeno

il processo di elettrolisi

utilizza energie

rinnovabili (per es.

quella eolica) e produce

idrogeno di elevata

purezza e (come

sottoprodotto) ossigeno

che è utilizzato nel

processo di

gassificazione delle

biomasse che a sua

volta produce altro

idrogeno (generalmente

di purezza inferiore).

Altre integrazioni sono

possibili (per es.

recupero di calore)

Biomasse – potenzialità in Toscana

Qualità

Periodo di

raccolta

Produttività del terreno

Rese Vantaggi Svantaggi

Arundo febbraio-

marzo

40.000 piante/ha

25-30 t s.s./ha

specie poliennale longeva grande adattabilità protegge il terreno dall’erosione

specie invasiva elevato contenuto in ceneri

Pioppo da SRF

novembre-marzo

8.000-12.000 piante/ha

11 - 22 t s.s./ha

- ceduazione biennale o triennale

alta qualità del combustibile (alto potere calorifico, basso contenuto in ceneri) usi alternativi della biomassa (cellulosa, truciolati) protegge il terreno dall’erosione

costi alti per l’impianto e la raccolta richiesti macchinari specifici (ma in continua evoluzione) logistica (trasporti e stoccaggi onerosi)

Sorgo

agosto-settembr

e

60.000 piante/ha

20-30 t s.s./ha operazioni colturali semplici ciclo annuale

alto contenuto in ceneri alta umidità alla raccolta

scarti forestali

tutto l’anno

- 3.3 t/ha anno

Sansa d’oliva

periodo invernale

- 3500 t/anno alto potere calorifico bassa umidità (nn occorre essiccamento)

produttività variabile contenuto medio di ceneri

Analisi (preliminare) dei costi di filiera

(produzione) - Costi fissi -

Apparecchiatura/costi costo d’investimento (k€) costo capitale (k€)

Gassificatore 660 130

Unità di

conversione/separazione

50 9

Caldaia 400 85

Eolico 8000 1500

Elettrolizzatore 480 85

Stoccaggio H2 570 105

Terreni (acquisto) 2250

Allacciamento rete 2000


(produzione) - Costi operativi -

Apparecchiatura/costi costo (k€/y)

Gestione/esercizio parco eolico 175

Costi annui fissi di O&M 100

Costi variabili di O&M 50

Oneri annui sui ricavi 16

Costi agricoli 62

Trasporto biomassa 27

Carburante 3

Consumo acqua 15

Energia elettrolisi 206

Costo di produzione della biomassa 37.6 €/t


(produzione) - Costo idrogeno -

Voci

Uscita di cassa 2400 k€

Ricavi dall’eolico 1500 k€

Vendita energia elettrica 700 k€

Certificati verdi 800 k€

Vita utile dell’impianto 20 y

Tasso attualizzazione 4%

Costo dell’idrogeno 36 €/GJ

4.3 €/kg

Forbice di costo per varie opzioni 28-42 €/GJ

3.4-5.0 €/kg

Progetto: principio di funzionamento

ammortizzatore cilindro a doppio effetto

cilindri idraulici ‘slave’

giunto speciale

motore a 2 g.l.

Progetto – dimensionamento dei principali componenti

Documents

Facoltà di Ingegneria - Circuito Green City Energygreencityenergy.it/pisa/files/3_Leonardo_Tognotti.pdf · Dipartimento di Ingegneria Meccanica. Nucleare e della Produzione Dipartimento